p As propriedades de um sólido dependem do arranjo de seus átomos, que formam uma estrutura de cristal periódica. Na nanoescala, arranjos que quebram essa estrutura periódica podem alterar drasticamente o comportamento do material, mas isso é difícil de medir. Avanços recentes de cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) estão começando a desvendar esse mistério. p Usando espalhamento de nêutron e síncrotron de raios-X de última geração, Os cientistas da Argonne e seus colaboradores estão ajudando a responder a perguntas de longa data sobre uma classe de materiais tecnologicamente importantes chamados ferroelétricos relaxores, que geralmente são baseados em chumbo. Esses materiais têm propriedades mecânicas e elétricas que são úteis em aplicações como sonar e ultrassom. Quanto mais os cientistas entendem sobre a estrutura interna dos ferroelétricos relaxores, os melhores materiais que podemos desenvolver para essas e outras aplicações.

p As constantes dielétricas de ferroelétricas relaxantes, que expressam sua capacidade de armazenar energia quando em um campo elétrico, têm uma dependência incomum da frequência do campo. Sua origem sempre foi um mistério para os cientistas. Os ferroelétricos Relaxor também podem ter propriedades piezoelétricas extremamente altas, o que significa que quando tensionados mecanicamente, eles desenvolvem um campo elétrico interno, ou, por outro lado, eles se expandem ou contraem na presença de um campo elétrico externo. Essas propriedades tornam os ferroelétricos relaxantes úteis em tecnologias onde a energia deve ser convertida entre mecânica e elétrica.

p Porque o chumbo é tóxico, os cientistas estão tentando desenvolver materiais não baseados em chumbo que possam ter um desempenho ainda melhor do que os ferroelétricos baseados em chumbo. Para desenvolver esses materiais, os cientistas estão tentando descobrir quais aspectos da estrutura cristalina do ferroelétrico relaxante causam suas propriedades únicas. Embora a estrutura seja ordenada e previsível em média, desvios desta ordem podem ocorrer em um local, ou nível de nanoescala. Essas quebras na simetria de longo alcance da estrutura geral desempenham um papel crucial na determinação das propriedades do material.

p "Entendemos a ordem de longo prazo muito bem, mas para este experimento, desenvolvemos novas ferramentas e métodos para estudar a ordem local, "disse o físico sênior de Argonne, Stephan Rosenkranz.

p Cientistas de Argonne e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, junto com seus colaboradores, estudou uma série de ferroelétricos à base de chumbo com diferentes ordens locais, e, portanto, propriedades diferentes. Usando uma nova instrumentação projetada por cientistas da Argonne que é capaz de fornecer uma medição muito maior e mais detalhada do que os instrumentos anteriores, a equipe estudou a dispersão difusa dos materiais, ou como os desvios locais na estrutura afetam o padrão de espalhamento mais ordenado.

p Pesquisadores anteriores identificaram um certo padrão de espalhamento difuso, que toma a forma de uma borboleta, e associado com as propriedades dielétricas anômalas de ferroelétricos relaxores. Quando os cientistas de Argonne analisaram seus dados experimentais, Contudo, eles descobriram que o espalhamento em forma de borboleta estava fortemente correlacionado com o comportamento piezoelétrico.

p "Agora podemos pensar sobre que tipo de ordem local causa a dispersão dessa borboleta, e como podemos projetar materiais que tenham as mesmas características estruturais que dão origem a esse efeito, "disse o físico de Argonne Danny Phelan.

p Quanto à causa real das propriedades dielétricas anômalas, os cientistas propõem que surge de interações concorrentes que levam à "frustração" do material.

p As novas descobertas resultaram do uso pelos cientistas de espalhamento de nêutrons e espalhamento de raios-X. "Há complementaridade inestimável no uso de ambas as técnicas, "disse Phelan." Usar um ou outro não dá a imagem completa. "

p Os cientistas usarão essas descobertas para informar modelos de ferroelétricos relaxores usados ​​para desenvolver novos materiais. Experimentos futuros irão iluminar ainda mais a relação entre a ordem local e as propriedades dos materiais.